利用瑞利激光雷达观测北京地区上平流层地形重力波活动

本文利用中国科学院空间科学与应用研究中心的瑞利激光雷达首次观测到了平流层地形重力波活动的现象,并结合美国国家环境预报中心(NCEP)的全球预报系统(GFS)的风场数据分析了该地形重力波的基本参数.与惯性重力波相比较,地形重力波的密度扰动没有下传的相位,在同一高度上,其扰动相位保持不变.北京空间科学与应用研究中心瑞利激光雷达自2012年开始观测实验以来,已经观测到多起地形重力波活动事件.本文以2013年11月11日的观测数据为例,研究北京上空的地形重力波活动,并结合GFS风场数据分析了北京上平流层地形重力波的波长、传播方向、传播速度等参量.通过分析得到在2013年11月11日北京上空存在一列传播方向为北偏西52.4°,水平波长为5.5 km,平均垂直波长约为6.0 km的地形重力波.     

利用瑞利激光雷达和无线电探空仪观测数据对武汉上空重力波特性的研究

本文利用武汉大学的瑞利激光雷达的瑞利散射回波数据(30～65km)来研究武汉地区上空(30.5°N,114.4°E)重力波的活动规律和统计特性.通过对2003年12月到2005年3月观测的200h数据反演的密度进行处理分析,得到了重力波的一些个例特征,并提取垂直波长为2 km以上的重力波进行统计分析.结果表明,最可几的垂直波长是3～4 km和17～20 km,重力波振幅的月平均值在冬季有较大值,夏季值较小.与武汉2004年无线电探空仪的密度扰动提取到的重力波做比较,发现与瑞利激光雷达得到的重力波振幅的月平均值有很强的相关性,也是冬季值比较大,夏季值比较小.通过无线电探空仪的风场数据,本文还得到了急流的季节变化规律、最大风剪切年变化规律,发现急流和最大风剪切与激光雷达的重力波统计结果有很强的相关性.     

利用瑞利激光雷达和无线电探空仪观测数据对武汉上空重力波特性的研究

本文利用武汉大学的瑞利激光雷达的瑞利散射回波数据(30～65 km)来研究武汉地区上空(305°N，1144°E)〖JP〗重力波的活动规律和统计特性.通过对2003年12月到2005年3月观测的200 h数据反演的密度进行处理分析，得到了重力波的一些个例特征，并提取垂直波长为2 km以上的重力波进行统计分析.结果表明，最可几的垂直波长是3～4 km和17～20 km，重力波振幅的月平均值在冬季有较大值，夏季值较小.与武汉2004年无线电探空仪的密度扰动提取到的重力波做比较，发现与瑞利激光雷达得到的重力波振幅的月平均值有很强的相关性，也是冬季值比较大，夏季值比较小.通过无线电探空仪的风场数据，本文还得到了急流的季节变化规律、最大风剪切年变化规律，发现急流和最大风剪切与激光雷达的重力波统计结果有很强的相关性.     

中间层顶重力波耗散引起钠原子输送的激光雷达观测研究

利用中国科学院国家空间科学中心廊坊站（40.0°N,116.3°E）钠荧光多普勒激光雷达2011年至2013年共约82 h的钠原子数密度和垂直风观测数据,分析了廊坊地区中间层顶区域大气重力波耗散引起的钠原子输送特征.分析得到,90~100 km处重力波耗散引起的平均钠原子垂直通量整体为负,钠原子向下输送,在93 km处达到最大负值-1.47×10⁸m^-3 m·s^-1,85~90 km处平均钠原子垂直通量为正,钠原子向上输送,但通量值随高度递减.钠原子垂直通量方向在90 km处发生转变,垂直通量随高度的变化造成钠原子汇聚,汇聚效应引起的平均钠原子产生率最大值在91 km处达到了1.40×10⁸ m^-3/h,该值超过了相同高度上模式计算流星烧蚀注入引起的钠原子产生率峰值,说明重力波耗散对钠层结构的形成具有重要影响.与美国SOR和Maui观测结果相比,平均钠原子产生率峰值大小相近,但出现高度不同,说明大气重力波耗散引起的物质输送具有显著的地域变化特征.研究结果可为大气物质输送理论的完善以及大气金属层物理模式的改进提供观测事实参考.

     

夜光云内小尺度重力波对冰晶粒径谱的影响规律研究

本文利用AIM卫星搭载的CIPS云图反照率和冰晶粒径数据,从中提取了2007/08南半球和2008年北半球共6489个小尺度重力波活动(波长5~150km范围)个例,对重力波区域与背景云层冰晶粒径谱进行对比分析,从而研究重力波对冰晶平均半径和谱宽的影响规律.结果表明,北半球重力波区域冰晶的平均半径和谱宽分别比背景云层小2.5nm和6.1nm,南半球则分别减小1.1nm和7.9nm.在随纬度的分布上,小于80°时,南北半球的平均半径扰动值均为负值,绝对值随纬度增大而减小,而大于80°时,负扰动转变为正扰动,且绝对值增加;谱宽扰动的绝对值也随着纬度增加而减小,但均为负值.在季节内随时间的分布上,南北半球重力波对冰晶平均半径和谱宽的扰动在始末阶段以负值为主,且绝对值较大,而在中期阶段正负值相当,且绝对值较小.这一特征与重力波引起冰晶粒径变化的振幅在纬度和时间上的分布趋势一致.重力波的波长均随纬度升高而减小,在季节的始末阶段较大,中期小,且南半球的平均波长和变化幅度都要明显大于北半球的,粒径扰动振幅随波长的变化率为南半球0.207nm·km-1,北半球的0.163nm·km-1.根据分析推断,重力波自身的扰动振幅应与其影响区域内的谱参数相对于背景云层的变化量有直接关系,且振幅越大,平均半径和谱宽的负扰动就越大.     

基于OH全天空气辉成像仪观测的中国低纬地区的重力波传播统计特征

利用位于海南富克(19.5°N,109.1°E)和广西桂平(23.4°N,110.1°E)两个台站两年多的OH全天空气辉成像仪观测数据,对中国低纬地区的重力波传播统计特征进行了研究.从富克和桂平的气辉成像观测中, 分别提取了65和86个重力波事件.研究结果表明,观测水平波长,观测周期和水平相速度分别集中分布在10~35 km, 4~14 min和20~90 m·s-1范围.重力波传播方向,在夏季表现出很强的东北方向传播.然而,在冬季主要沿东南和西南方向传播. 同时,结合流星雷达风场观测和TIMED/SABER卫星的温度数据,也发现在中层-低热层中传播的大多数重力波表现为耗散传播.且低层-中层大气中背景风场的滤波作用和多普勒频移可能对纬向方向传播的重力波产生的各向异性起到重要的调制作用.然而,经向方向传播的重力波产生的各向异性可能同时被低层大气中波源的非均匀分布以及潮汐变化所影响.     

损耗大气中重力波的非线性相互作用理论

基于中高层大气重力波动力学是由非线性过程和损耗过程共同决定的物理思想,本文采用弱非线性相互作用近似,推导出损耗大气中重力波的非线性相互作用方程.这组方程是研究固定相位和随机相位重力波相互作用问题的出发点.通过引入平均振幅,我们得到了损耗情况下离散重力波的三波相互作用方程,该方程描述了重力波波包非线性时空演变的规律.作为该方程的一个具体应用,我们考虑了由于波-波相互作用产生的不稳定性.当一大尺度大振幅的主重力波通过大气传播时,非线性相互作用可能导致两个次级波振幅随时间指数增长.由于分子损耗和频率失配,主波的振幅必须大于一个阈值,这种指数增长才可能出现.共振条件满足时,阈值变为最小.频率失配还会导致次级波本征频率发生改变,改变的大小是频率失配值的一半.     

基于激光雷达手段的海南地区重力波与其波谱的季节分布特性研究

利用子午工程海南激光雷达对我国海南地区上空进行持续观测,通过3年的累积观测数据对我国低纬度地区重力波活动的季节分布特性进行研究,依据重力波线性理论对海南地区上空的大气密度扰动规律、空间功率谱及时间频率谱进行分析,并通过选择波长在1 km至8 km范围内具有特定波长以及具有波动周期为60 min至25 min的特定频率的重力波辅助研究大气密度扰动的季节变化规律,总结得出海南地区重力波活动具有夏季大、春秋季小、而冬季依然频繁的季节性分布规律.结合海南地区特殊的地理位置与当地季节性气候特征分析得出海南地区上空重力波活动季节性变化的可能原因为青藏高原地形及我国南海地区存在的热带强对流与赤道潜流共同作用的结果.     

损耗大气中重力波的非线性相互作用理论

基于中高层大气重力波动力学是由非线性过程和损耗过程共同决定的物理思想,本文采用弱非线性相互作用近似,推导出损耗大气中重力波的非线性相互作用方程.这组方程是研究固定相位和随机相位重力波相互作用问题的出发点.通过引入平均振幅,我们得到了损耗情况下离散重力波的三波相互作用方程,该方程描述了重力波波包非线性时空演变的规律.作为该方程的一个具体应用,我们考虑了由于波-波相互作用产生的不稳定性.当一大尺度大振幅的主重力波通过大气传播时,非线性相互作用可能导致两个次级波振幅随时间指数增长.由于分子损耗和频率失配,主波的振幅必须大于一个阈值,这种指数增长才可能出现.共振条件满足时,阈值变为最小.频率失配还会导致次级波本征频率发生改变,改变的大小是频率失配值的一半.     

电离层诸参量对大气重力波的响应与重力波参数反演

本文利用欧洲非相干散射雷达数据,分析研究了电离层不同等离子体参量对大气重力波的响应之间的关系.应用这种关系,发展了一种在垂直于地磁场的电场可以忽略等简化假设下,由电子密度和离子沿场速度的同时测量数据,反演求解较高（约250km以上）F区中引起TID的重力波传播参数的方法.用此法对一典型TID事件进行分析计算,所得结果与全波解数值研究结果很好符合.     

中层大气重力波的全球分布特征

从2002年1月到2009年12月的SABER温度剖面数据提取了可以反映重力波活动的垂直尺度2~10 km的中尺度温度扰动,分析了全球中层大气重力波的分布.重力波扰动在夏季和冬季明显强于春季和秋季,而冬季与夏季相比,在70 km以下的高度夏季弱于冬季,在70 km以上夏季比冬季要强.从全球重力波分布来看,较大值分布在冬季半球和25°N到25°S的热带范围,其中热带范围重力波的峰值随着高度向北移动,而在南半球高纬度地区重力波扰动较大值位于极区涡流的边缘.热带范围的扰动沿着经度方向有明显的变化,这是由风过滤、地形和波动等因素共同作用的结果.重力波扰动强度随高度变化,在25~30 km处呈现下降趋势,而超过42 km后又逐渐递增.对比8年平均的重力波在不同高度的强弱分布,可以看到,在较低高度,重力波的强弱明显与地形有关,而在较高高度,重力波的分布与地形的关系变得不明显.这说明重力波的形成与地形有显著相关性,但在传播过程中重力波的分布会随高度出现明显的变化.     

Application of wavelet transformation to determine wavelengths and phase velocities of gravity waves observed by lidar measurements

During the last two decades, important advances have been made in the investigation of gravity waves. However, more efforts are needed to study certain aspects of gravity waves. In the real atmosphere, gravity waves occur with different properties at different altitudes and, most often, simultaneously. In this case, when there is more than one dominant wave, the determination of gravity wave characteristics, such as the vertical wavelength and the phase velocity, is difficult. The interpretation of temperature perturbation plots versus the altitude and time as well as the application of the Fourier spectral analysis can produce errors.Exact knowledge of the wave characteristics is important both for determination of other characteristics, for example, the horizontal wave components, and for study of wave climatology. The wavelet analysis of vertical temperature profiles allows one to examine the wave's location in space. Up to now, gravity waves have been studied mainly by continuous wavelet transformation to determine dominant waves. We apply wavelet analysis to a time series of temperature profiles, observed by the ALOMAR ozone lidar at Andoya, Norway, and by the U. Bonn lidar system at ESRANGE, Sweden, both for determination of the dominant waves and for specifying the vertical wavelengths and the vertical component of the phase velocities. For this purpose, the wavelet amplitude spectra and the wavelet phase spectra are filtered and Hovmöller diagrams for dominant wavelengths are constructed. The advantage of this type of diagrams is that they give clear evidence for the localization of the dominant waves in space and time and for the development of their phase fronts.     

雷暴激发的环状重力波在中高层大气中的传播特征

本文使用中国科学院国家空间科学中心——子午工程朔州观测站的全天空气辉成像数据,以及FY-2气象卫星云顶亮温数据（Black Body Temperature,TBB）,气象再分析数据和地闪数据,研究了2013年8月10日（LT）发生在内蒙古地区的雷暴活动激发的中高层环状重力波（Concentric Gravity Waves,CGWs）事件.根据最小二乘法的拟合结果和色散关系理论曲线,确定了激发中高层环状重力波的强对流系统,该对流中心位于内蒙古自治区中部（108.9°E,40.47°N）,重力波激发于雷暴初期,此时TBB低于220 K的深对流面积较小,随着时间的推移,该次雷暴活动越来越强,深对流面积在23：00达到最大,在23：30-24：00 LT时闪电频数最高,达到120.7 fl/min,随后深对流逐渐消散.在中高层87 km处OH（羟基）气辉层观测到的一次CGWs事件的两组波纹,分别沿水平方向传播了149.64 km和174.25 km,相应位置处的水平波长分别为12.67 km和16.75 km,周期分别为8.56 min和10.72 min,激发时间分别为19：34 LT和19：40 LT;随着水平传播距离的增加,CGWs水平波长增大.

     

重磁三维反演伊犁盆地中部密度和磁性结构

伊犁盆地中部区域地处多个构造单元的交汇区,构造复杂,缺乏高精度地质资料,制约了对盆地构造演化的进一步认识.本文联合使用多种先验信息作为约束条件,利用高精度重磁数据反演获得了研究区地下海拔-10 km以浅的三维密度和磁性结构,增强了反演结果的可靠性.结果揭示以白石墩次凸为中心发育了一个"北断南超"的南西-北东向不对称型凹陷,北部沉积厚度大于南部;区内主要断裂具有高角度特征,生烃中心受断裂控制,阿吾拉勒山前凹陷浅部可能发育逆掩断裂;火成岩以侵入的基性火成岩为主,伴有部分喷出火成岩和中酸性火成岩.     

Earlier days of gravity waves revisited

The means whereby the author came to be involved in the study of atmospheric gravity waves, and then came to involve others in that study, are outlined. In particular, events leading up to, during and following the International Symposium on Fluid Mechanics in the Ionosphere, of July 1959, are described.     

重力波在中层大气温度波导中的传播模式研究

本文给出了重力波在中层大气温度波导中的导制传播模型,并在此模型的基础上详细讨论了重力波部分导制传播下的对称模式与非对称模式,导出了不同模式下相应的特征函数和色散方程,进一步用离散的方法对两类色散方程进行了求解;同时还利用二维全隐欧拉格式（FICE）对重力波在温度波导中的传播进行了模拟,模拟的结果也成功地展现了对称与非对称两种传播模式.研究表明,下边界的扰动能量在向上传播进入波导区域后被俘获,形成导制传播.不同周期的初始扰动,在波导内均会形成对称与非对称形式两种模式的导制传播,由于两者的行进速度不一致,最终会引起两种不同模式的分离.数值模拟中重力波的水平行进速度与线性模型预测值非常接近.波导中不同模式下重力波的水平波长与初始扰动的水平波长非常一致,然而波导区域内重力波的频率与初始扰动的频率无关,频率不同的初始扰动会激发出相同频率的重力波对称与非对称导制传播模式.这表明在确定的温度波导中,水平波数才是决定重力波传播特性的决定因素.进一步的分析显示,初始扰动的水平波数-频率分布越接近完全导制传播的色散关系时,温度波导中更易于生成以该种模式部分导制传播的重力波.     

Modelled effect of changes in the CO2 concentration on the middle and upper atmosphere: Sensitivity to gravity wave parameterization

We have studied the temperature response to changes in the CO₂ concentration in the middle and upper atmosphere using the Coupled Middle Atmosphere–Thermosphere Model 2 (CMAT2). We have performed simulations with a range of CO₂ concentrations and three different ways of accounting for the effects of gravity waves, to allow for comparison with previous studies and sensitivity analyses. We initially find that the response of the model to the changes in CO₂ concentration which took place between 1965 and 1995 (320–360 ppm) is strongly dependent on the gravity wave parameterization that is used, but this is to a large degree due to steps or kinks in an otherwise nearly linear curve describing the temperature as a function of CO₂ concentration. We have not been able to identify the cause of these steps as part of the present study, which is a limitation and must be studied in future work. Here we treated the steps as model noise and rather focused on correcting for their effects by fitting straight lines to the temperature–CO₂ curves to estimate the overall slope of the curves. From these slopes we were able to obtain more robust trend estimates than can be obtained by comparing only two model simulations, as is normally done in other, similar studies. The corrected temperature responses to a 40 ppm change in CO₂ concentration still show up to 15–17% sensitivity to the gravity wave parameterization in the mesosphere and thermosphere. This remaining sensitivity is likely to be related to the fundamental differences in the way a change in temperature modifies the propagation and dissipation characteristics of gravity waves in each parameterization, which is particularly different for linear and non-linear schemes. The corrected trends we find are largely in agreement with other modelling studies, and therefore do not fully explain observed trends, which are typically larger than those predicted by modelling studies. However, modelling results could be similarly sensitive to other model parameters and settings, for example to gravity wave characteristics or solar activity level, and this should be further investigated as well.     

空间尘埃等离子体中的重力波特性

建立尘埃等离子体中重力波的基本方程,推导尘埃等离子体中重力波的色散关系,分析地球极区中间层顶处尘埃等离子体层中的重力波特性,研究了重力波在电子密度垂直分层的尘埃等离子体中的反射. 结果表明尘埃等离子体改变了通常大气中的重力内波的色散关系,限制了小水平波数重力内波的传播,改变了波的能量特性,减小了重力波在不均匀大气中垂直向上传播时振幅的增长;在尘埃等离子体中传播时重力波可被电子密度垂直分层的结构反射而导致波能量的集中, 它产生的湍动所导致的空间电子密度的不均匀性分布是极区上空PMSEs的可能机制.     

Planetary waves in coupling the lower and upper atmosphere

The purpose of the paper is to answer the question if planetary waves (PW) are capable of propagating into the thermosphere. First the simplest vertical structure equation of the classic tidal theory accounting for a realistic vertical temperature profile is considered. Analysis and simulation show that the well-known normal atmospheric modes (NM), which are trapped in the lower and middle atmosphere, exhibit a wave-like vertical structure with a large vertical wavelength in the thermosphere. Moreover, the reflection of these modes from the vertical temperature gradient in the lower thermosphere causes appearance of the wave-energy upward flux in the middle atmosphere, and in a linearized formulation this flux is constant above the source region. To investigate a possibility of the NM forcing by stratospheric vacillations and to consider the propagation of different PW up to the heights of the upper thermosphere, a set of runs with a mechanistic Middle and Upper Atmosphere Model has been performed. The results of the simulation show that quasi-stationary and longer-period PW are not able to penetrate into the thermosphere. The shorter-period NM and ultra-fast Kelvin wave propagate up to the heights of the lower thermosphere. However, above about 150 km they are strongly suppressed by dissipative processes. The role of the secondary waves (nonmigrating tides) arising from nonlinear interaction between the primary migrating tides and quasi-stationary PW is discussed. We conclude that PW are not capable of propagating directly up to the heights of the ionospheric F2 region. It is suggested that other physical processes (for instance, the electrostatic field perturbations) have to be taken into account to explain the observed PW-like structures in ionospheric parameters.